Naukowcy twierdzą, że czarne dziury ostatecznie zniszczą wszystkie stany kwantowe

We wczesnych latach siedemdziesiątych na Uniwersytecie Princeton sławnego fizyka teoretycznego Johna Wheelera można było spotkać podczas seminariów lub improwizowanych dyskusji na korytarzu, rysujących duże „U”. Lewa końcówka litery symbolizowała początek wszechświata, w którym wszystko było niepewne i wszystkie kwantowe możliwości działy się jednocześnie. Prawy czubek listu, czasem ozdobiony okiem, przedstawiał obserwatora cofającego się w czasie, powołując w ten sposób lewą stronę litery U.

W tym „uczestniczącym wszechświecie”, jak nazwał to Wheeler, kosmos rozszerzył się i ochłodził wokół U, tworząc struktury i ostatecznie tworząc obserwatorów, takich jak ludzie i aparatura pomiarowa. Spoglądając wstecz na wczesny wszechświat, ci obserwatorzy w jakiś sposób uczynili go rzeczywistym.

„Mówił rzeczy w rodzaju:„ Żadne zjawisko nie jest prawdziwym zjawiskiem, dopóki nie jest zjawiskiem zaobserwowanym ”- powiedział Roberta M. Walda, fizyk teoretyczny z University of Chicago, który był wówczas doktorantem Wheelera.

Teraz, badając, jak teoria kwantowa zachowuje się na horyzoncie czarnej dziury, Wald i jego współpracownicy obliczyli nowy efekt, który sugeruje partycypacyjny wszechświat Wheelera. Odkryli, że sama obecność czarnej dziury wystarczy, aby zmienić mglistą „superpozycję” cząstki – stan bycia w wielu potencjalnych stanach – w dobrze zdefiniowaną rzeczywistość. „Przywołuje to myśl, że te horyzonty czarnych dziur obserwują” – powiedział współautor Gautama Satishchandrana, fizyk teoretyczny w Princeton.

„To, co odkryliśmy, może być kwantowo-mechaniczną realizacją [wszechświata uczestniczącego], ale gdzie sama czasoprzestrzeń odgrywa rolę obserwatora” – powiedział Daine'a Danielsona, trzeci autor, również w Chicago.

Teoretycy debatują teraz, co czytać w tych czujnych czarnych dziurach. „Wydaje się, że mówi nam to coś głębokiego o sposobie, w jaki grawitacja wpływa na pomiary w mechanice kwantowej” – powiedział Sam Gralla, astrofizyk teoretyczny z University of Arizona. Ale czy okaże się to przydatne dla naukowców dążących do kompletnej teorii kwantowej grawitacji, wciąż pozostaje kwestią sporną.

Efekt jest jednym z wielu odkrytych w ostatniej dekadzie przez fizyków badających, co się dzieje, gdy teoria kwantowa jest połączona z grawitacją przy niskich energiach. Na przykład teoretycy odnieśli wielki sukces w myśleniu o Promieniowanie Hawkinga, co powoduje powolne parowanie czarnych dziur. „Subtelne efekty, których tak naprawdę nie zauważyliśmy wcześniej, dają nam ograniczenia, z których możemy czerpać wskazówki, jak iść w kierunku grawitacji kwantowej” – powiedział Alexa Lupsaski, fizyk teoretyczny z Vanderbilt University, który nie był zaangażowany w nowe badania.

Te spostrzegawcze czarne dziury wydają się wytwarzać efekt, który jest „bardzo zniewalający”, powiedział Lupsasca, „ponieważ wydaje się, że jest w jakiś sposób głęboki”.

Czarne dziury i superpozycje

Aby zrozumieć, w jaki sposób czarna dziura może obserwować wszechświat, zacznij od małych rzeczy. Rozważmy klasyczny eksperyment z podwójną szczeliną, w którym cząstki kwantowe są wystrzeliwane w kierunku dwóch szczelin w barierze. Te, które przechodzą, są następnie wykrywane przez ekran po drugiej stronie.

Na początku każda podróżująca cząstka wydaje się pojawiać na ekranie losowo. Ale gdy więcej cząstek przechodzi przez szczeliny, pojawia się wzór jasnych i ciemnych pasków. Ten wzór sugeruje, że każda cząsteczka zachowuje się jak fale przechodzące jednocześnie przez obie szczeliny. Pasma wynikają ze szczytów i dolin fal, które albo sumują się, albo eliminują nawzajem — zjawisko zwane interferencją.

Teraz dodaj detektor, aby zmierzyć, przez którą z dwóch szczelin przechodzi cząstka. Zniknie wzór jasnych i ciemnych pasów. Akt obserwacji zmienia stan cząstki – jej falowy charakter całkowicie zanika. Fizycy twierdzą, że informacje uzyskane przez aparat wykrywający „dekoherują” możliwości kwantowe w określoną rzeczywistość.

Co ważne, twój detektor nie musi znajdować się blisko szczelin, aby dowiedzieć się, którą ścieżkę wybrała cząstka. Na przykład naładowana cząstka emituje pole elektryczne dalekiego zasięgu, które może mieć nieco inną siłę w zależności od tego, czy przeszła przez prawą, czy lewą szczelinę. Pomiar tego pola z dużej odległości nadal pozwoli ci zebrać informacje o tym, jaką drogę obrała cząstka, a tym samym spowoduje dekoherencję.

W 2021 roku Wald, Satishchandran i Danielson badali paradoks powstający, gdy hipotetyczni obserwatorzy zbierają informacje w ten sposób. Wyobrazili sobie eksperymentatorkę o imieniu Alice, która tworzy cząstkę w superpozycji. W późniejszym czasie szuka wzoru interferencji. Cząstka będzie wykazywać interferencję tylko wtedy, gdy nie zostanie zbytnio splątana z żadnym układem zewnętrznym, podczas gdy Alicja ją obserwuje.

Potem pojawia się Bob, który próbuje zmierzyć położenie cząstki z daleka, mierząc pola dalekiego zasięgu cząstki. Zgodnie z zasadami przyczynowości Bob nie powinien mieć wpływu na wynik eksperymentu Alicji, ponieważ eksperyment powinien się zakończyć, zanim sygnały od Boba dotrą do Alicji. Jednak zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, jeśli Bobowi uda się zmierzyć cząstkę, zaplątie się ona w niego, a Alice nie zobaczy wzoru interferencji.

Trio rygorystycznie obliczyło, że wielkość dekoherencji spowodowanej działaniami Boba jest zawsze mniejsza niż dekoherencja, którą Alice w naturalny sposób spowodowałaby przez emitowane przez nią promieniowanie (które również zostaje splątane z cząsteczką). Więc Bob nigdy nie byłby w stanie rozszyfrować eksperymentu Alicji, ponieważ ona sama już by to rozszyfrowała. Chociaż wcześniejsza wersja tego paradoksu była rozwiązany w 2018 r dzięki obliczeniom z tyłu koperty przeprowadzonym przez Walda i inny zespół badaczy, Danielson poszedł o krok dalej.

Zaproponował swoim współpracownikom eksperyment myślowy: „Dlaczego nie mogę umieścić detektora [Boba] za czarną dziurą?” W takiej konfiguracji cząstka w superpozycji poza horyzontem zdarzeń będzie emitować pola, które przecinają horyzont i zostają wykryte przez Boba po drugiej stronie, w czarnej dziurze. Detektor uzyskuje informacje o cząstce, ale ponieważ horyzont zdarzeń jest „biletem w jedną stronę”, żadna informacja nie może przejść z powrotem, powiedział Danielson. „Bob nie może wpływać na Alice z wnętrza czarnej dziury, więc ta sama dekoherencja musi wystąpić bez Boba” – napisał zespół w e-mailu do Quanta. Sama czarna dziura musi zdekoherować superpozycję.

„W bardziej poetyckim języku partycypacyjnego wszechświata wygląda to tak, jakby horyzont obserwował superpozycje” – powiedział Danielson.

Korzystając z tej wiedzy, zabrali się do pracy nad dokładnym obliczeniem wpływu czasoprzestrzeni czarnej dziury na superpozycje kwantowe. W papier opublikowane na serwerze preprint arxiv.org w styczniu, wylądowali na prostym wzorze opisującym szybkość, z jaką promieniowanie przekracza horyzont zdarzeń, a tym samym powoduje wystąpienie dekoherencji. „To, że w ogóle wystąpił efekt, było dla mnie bardzo zaskakujące” - powiedział Wald.

Włosy na horyzoncie

Pomysł, że horyzonty zdarzeń zbierają informacje i powodują dekoherencję, nie jest nowy. W 2016 roku Stephen Hawking, Malcolm Perry i Andrew Strominger opisane jak cząstkom przechodzącym przez horyzont zdarzeń może towarzyszyć bardzo niskoenergetyczne promieniowanie, które rejestruje informacje o tych cząstkach. To spostrzeżenie zostało zasugerowane jako rozwiązanie paradoksu informacyjnego czarnej dziury, będącego głęboką konsekwencją wcześniejszego odkrycia Hawkinga, że ​​czarne dziury emitują promieniowanie.

Problem polegał na tym, że promieniowanie Hawkinga wysysa energię z czarnych dziur, powodując ich całkowite odparowanie z czasem. Proces ten wydaje się niszczyć wszelkie informacje, które wpadły do ​​czarnej dziury. Ale robiąc to, byłoby to sprzeczne z podstawową cechą mechaniki kwantowej: że informacji we wszechświecie nie można stworzyć ani zniszczyć.

Niskoenergetyczne promieniowanie zaproponowane przez trio mogłoby to obejść, umożliwiając rozprowadzenie niektórych informacji w halo wokół czarnej dziury i ucieczkę. Naukowcy nazwali bogate w informacje halo „miękkimi włosami”.

Wald, Satishchandran i Danielson nie badali paradoksu informacyjnego czarnej dziury. Ale ich praca wykorzystuje miękkie włosy. W szczególności wykazali, że miękkie włosy powstają nie tylko wtedy, gdy cząstki spadają na horyzont, ale także wtedy, gdy cząsteczki poza czarną dziurą po prostu przemieszczają się w inne miejsce. Każda superpozycja kwantowa na zewnątrz zostanie splątana z miękkimi włosami na horyzoncie, powodując zidentyfikowany przez nich efekt dekoherencji. W ten sposób superpozycja zapisywana jest jako swego rodzaju „pamięć” na horyzoncie.

Kalkulacja jest „konkretną realizacją miękkich włosów”, powiedział Daniela Carneya, fizyk teoretyk w Lawrence Berkeley National Laboratory. „To fajny papier. Może to być bardzo przydatna konstrukcja, aby spróbować szczegółowo zrealizować ten pomysł”.

Ale dla Carneya i kilku innych teoretyków pracujących na czele badań nad grawitacją kwantową ten efekt dekoherencji nie jest aż tak zaskakujący. Dalekosiężny charakter siły elektromagnetycznej i grawitacji oznacza, że ​​„trudno jest utrzymać cokolwiek w izolacji od reszty wszechświata” – powiedział Daniela Harlowa, fizyk teoretyczny w Massachusetts Institute of Technology.

Całkowita dekoherencja

Autorzy argumentować że jest coś wyjątkowo „podstępnego” w tego rodzaju dekoherencji. Zwykle fizycy mogą kontrolować dekoherencję, osłaniając swój eksperyment przed środowiskiem zewnętrznym. Na przykład próżnia usuwa wpływ pobliskich cząsteczek gazu. Ale nic nie może ochronić grawitacji, więc nie ma sposobu, aby odizolować eksperyment od dalekosiężnego wpływu grawitacji. „Ostatecznie każda superpozycja zostanie całkowicie zdekoherowana” – powiedział Satishchandran. „Nie da się tego obejść”.

Dlatego autorzy uważają, że horyzonty czarnych dziur odgrywają bardziej aktywną rolę w dekoherencji niż wcześniej sądzono. „Geometria samego wszechświata, w przeciwieństwie do materii w nim zawartej, jest odpowiedzialna za dekoherencję” – napisali w e-mailu do Quanta.

Carney kwestionuje tę interpretację, mówiąc, że nowy efekt dekoherencji można również rozumieć jako konsekwencję pól elektromagnetycznych lub grawitacyjnych w połączeniu z regułami ustalonymi przez przyczynowość. I w przeciwieństwie do promieniowania Hawkinga, gdzie horyzont czarnej dziury zmienia się w czasie, w tym przypadku horyzont „nie ma żadnej dynamiki” – powiedział Carney. „Horyzont sam w sobie nic nie robi; Nie użyłbym tego języka”.

Aby nie naruszać przyczynowości, superpozycje poza czarną dziurą muszą być dekoherowane z maksymalną możliwą szybkością, z jaką hipotetyczny obserwator wewnątrz czarnej dziury mógłby zbierać o nich informacje. „Wydaje się, że wskazuje to na jakąś nową zasadę dotyczącą grawitacji, pomiarów i mechaniki kwantowej” – powiedział Gralla. „Nie spodziewasz się, że stanie się to ponad 100 lat po sformułowaniu grawitacji i mechaniki kwantowej”.

Co ciekawe, tego rodzaju dekoherencja wystąpi wszędzie tam, gdzie istnieje horyzont, który pozwala informacjom podróżować tylko w jednym kierunku, tworząc potencjał paradoksów przyczynowości. Innym przykładem jest krawędź znanego wszechświata, zwana horyzontem kosmologicznym. Lub rozważmy „horyzont Rindlera”, który tworzy się za obserwatorem, który stale przyspiesza i zbliża się do prędkości światła, tak że promienie świetlne nie mogą go już dogonić. Wszystkie te „zabójcze horyzonty” (nazwane na cześć niemieckiego matematyka z przełomu XIX i XX wieku Wilhelma Killinga) powodują dekoherencję superpozycji kwantowych. „Te horyzonty naprawdę obserwują cię dokładnie w ten sam sposób” – powiedział Satishchandran.

Dokładnie nie jest do końca jasne, co to znaczy, że krawędź znanego wszechświata obserwuje wszystko we wszechświecie. — Nie rozumiemy horyzontu kosmologicznego — powiedział Lupsasca. „To bardzo fascynujące, ale o wiele trudniejsze niż czarne dziury”.

W każdym razie, stawiając takie eksperymenty myślowe, w których zderzają się grawitacja i teoria kwantowa, fizycy mają nadzieję dowiedzieć się o zachowaniu zunifikowanej teorii. „Prawdopodobnie daje nam to więcej wskazówek na temat grawitacji kwantowej” – powiedział Wald. Na przykład nowy efekt może pomóc teoretykom zrozumieć, w jaki sposób splątanie jest powiązane z czasoprzestrzenią.

„Efekty te muszą być częścią ostatecznej historii grawitacji kwantowej” – powiedział Lupsasca. „Czy będą kluczową wskazówką na drodze do zrozumienia tej teorii? Warto to zbadać”.

Wszechświat partycypacyjny

Danielson powiedział, że w miarę jak naukowcy wciąż dowiadują się o dekoherencji we wszystkich jej formach, koncepcja wszechświata partycypacyjnego Wheelera staje się coraz jaśniejsza. Wydaje się, że wszystkie cząstki we wszechświecie znajdują się w subtelnej superpozycji, dopóki nie zostaną zaobserwowane. Określenie wyłania się poprzez interakcje. „Myślę, że właśnie to miał na myśli Wheeler” — powiedział Danielson.

A odkrycie, że czarne dziury i inne horyzonty zabijania obserwują wszystko przez cały czas, „czy ci się to podoba, czy nie”, jest „bardziej sugestywne” dla wszechświata partycypacyjnego niż inne rodzaje dekoherencji, twierdzą autorzy.

Nie wszyscy są gotowi kupić filozofię Wheelera na wielką skalę. „Pomysł, że wszechświat obserwuje siebie? Dla mnie to brzmi trochę jak Jedi” – powiedział Lupsasca, który mimo to zgadza się, że „wszystko obserwuje się przez cały czas poprzez interakcje”.

„Poetycko, można by pomyśleć o tym w ten sposób” – powiedział Carney. „Osobiście powiedziałbym tylko, że obecność horyzontu oznacza, że ​​żyjące wokół niego pola utkną na horyzoncie w naprawdę interesujący sposób”.

Kiedy Wheeler po raz pierwszy narysował „duże U”, kiedy Wald był studentem w latach 1970., Wald nie myślał o tym zbyt wiele. „Pomysł Wheelera wydał mi się niezbyt solidnie ugruntowany” — powiedział.

I teraz? „Wiele rzeczy, które zrobił, było entuzjazmem i kilkoma niejasnymi pomysłami, które później okazały się naprawdę trafne” – powiedział Wald, zauważając, że Wheeler przewidział promieniowanie Hawkinga na długo przed obliczeniem efektu.

„Widział siebie jako trzymającego światło lampy, aby oświetlić możliwe ścieżki dla innych ludzi”.